無線局域網(wǎng)室內(nèi)信號干擾因素分析及處理

1、無線局域網(wǎng)室內(nèi)信號干擾因素分析及處理陳國先(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建福州350003摘要:對無線局域網(wǎng)室內(nèi)信號的主要干擾因素:室內(nèi)路徑損耗干擾,接收機系統(tǒng)熱噪聲和級聯(lián)系統(tǒng)噪聲干擾,同頻干擾等進行定性和定量分析,提出了針對性的處理措施從而使室內(nèi)信號所受干擾最小。關(guān)鍵詞:無線局域網(wǎng);IEEE.11n ;干擾;損耗中圖分類號:TN911.4 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1673-9833(201103-0064-03Analysis and Processing of Indoor Signal Interference in Wireless LANChen Guoxian(Fujian Info

2、rmation Vocational and Technical College ,Fuzhou 350003,China Abstract :Makes a quantitative and qualitative analysis on the main interference factors of indoor signals in wireless LAN, i.e. indoor path disturbance, the receiver system thermal noise, cascade system noise and co-channel interference,

3、and proposes specific measures to minimize the interference of indoor signals.Keywords :wireless local area network ;IEEE.11n ;interference ;loss收稿日期:2011-02-11作者簡介:陳國先(1953-,男,福建福州人,福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授,主要研究方向為計算機硬件應(yīng)用和計算機網(wǎng)絡(luò),E-mail :chengx2湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報Journal of Hunan University of Technology Vol.25 No.3May 20

4、11第25卷 第3期2011年5月0引言隨著電腦的普遍應(yīng)用,無線局域網(wǎng)IEEE.11n 技術(shù)的應(yīng)用范圍在不斷地擴大,它推動流媒體、數(shù)字家庭、移動辦公等實現(xiàn)根本性的變化,其優(yōu)勢也進一步顯現(xiàn)出來。如:連接無線局域網(wǎng)的電腦可以在不同場所移動辦公而無需中斷網(wǎng)絡(luò); 各種智能家電連接無線局域網(wǎng)后可實現(xiàn)遠程遙控使用;流媒體連接無線局域網(wǎng)后可隨時隨地觀賞音像影視。目前,無線局域網(wǎng)的規(guī)模在我國正逐漸擴大,如:我國臺灣省的臺北市無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的無線接入點(a c c e s s point ,AP 數(shù)目已達4 200個,覆蓋面積133 km 2,覆蓋了臺北市90%以上的區(qū)域;我國大陸,無線局域網(wǎng)建設(shè)也在快速發(fā)展。但

5、是,在無線局域網(wǎng)的使用中,由于無線局域網(wǎng)發(fā)射天線和接收天線之間信號傳送經(jīng)過室外和室內(nèi)各種遮蓋物時,居民區(qū)之間的無線局域網(wǎng)信號相互干擾,室內(nèi)路徑損耗,接收機系統(tǒng)的熱噪聲和級聯(lián)系統(tǒng)噪聲干擾,同頻干擾等引起信號下降。無線局域網(wǎng)工作頻段是2.4 GHz 和5.8 GHz ,這些無線信道為共享信道,頻率資源非常有限。隨著工作頻率及數(shù)據(jù)傳輸率的提高,無線信號傳播的強度也會降低。因此,如果不考慮無線局域網(wǎng)的各種干擾,傳輸速率也會隨著距離的增加而降低。當(dāng)移動端遠離AP 節(jié)點時,會造成通信質(zhì)量差甚至無法連接。因此,有必要對各種干擾和信息損耗進行分析,并提出相應(yīng)措施,從而使無線局域網(wǎng)信號最優(yōu)化。1干擾因素分析1.

6、1路徑損耗隨著無線局域網(wǎng)的逐步普及,商店、辦公室、家第3期65 庭、學(xué)校、賓館等室內(nèi)使用無線電腦的用戶越來越多。在建筑物內(nèi),建筑材料類型、建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)和窗戶類型等不同,都會影響樓層間的射頻衰減。測量表明,樓層間的損耗并不隨分隔距離的增加成分貝數(shù)線性增加,而是當(dāng)樓層數(shù)量增加時,整個路徑損耗以較小的比率增加1。一個室內(nèi)同時考慮樓層和墻壁的較為準(zhǔn)確的路徑損耗模型2為, (1 式中:L P為功率損耗系數(shù); 指1m 距離處的自由空間路徑損耗;r 表示接收機與發(fā)射機之間的距離;r 0是參考距離,假設(shè)為1 m ;n是路徑損耗指數(shù);W i是墻體的衰減系數(shù);F j是樓板的衰減系數(shù); N w 和N F 分別是室內(nèi)

7、接收機和發(fā)射機之間的墻壁和樓板的數(shù)目。無線局域網(wǎng)常用的是IEEE 802.11n 標(biāo)準(zhǔn),在這個標(biāo)準(zhǔn)下,工作頻帶常為5.8 GHz ,提供的速率范圍為54 Mb/s 。對于頻帶為5.8 GHz 室內(nèi)傳播,國際電信聯(lián)盟推薦的傳播模型為 , (2式中:P 0是發(fā)射功率。 路徑損耗指數(shù)n 的值要根據(jù)具體條件選取,當(dāng)接收天線和發(fā)射天線相距較近時取值較小,較遠時取值較大,一般無線局域網(wǎng)n 取3.1。無線信號傳播時室內(nèi)與室外差別較大。室外空曠,信號傳播時較少遇到障礙物;室內(nèi)則不同,室內(nèi)信號的傳播不僅受到建筑物的布局和所使用的建筑材料等因素的影響,還和室內(nèi)門與門之間是否打開,收發(fā)機之間是否有人走動,天線如何安

8、裝和安裝的位置等有密切關(guān)系。1.2接收機系統(tǒng)干擾1.2.1熱噪聲熱噪聲存在于任何在絕對零度以上工作的電路或系統(tǒng)中,這種噪聲可以看成是無數(shù)獨立的微小電流脈沖的疊加。根據(jù)概率論的極限定理,它們服從高斯正態(tài)分布3。對于負載電阻為R L ,其熱噪聲電流的雙邊譜密度由式(3給出。S t (f = 2kT /R L , (3式中:k =1.380 650 5×10-23J/K ,為玻耳茲曼常數(shù);T 為熱力學(xué)溫度。進一步可得熱噪聲電流的均方差為, (4式中:B 為接收機的電帶寬。式(4表明,熱噪聲均方差與負載電阻R L 成反比,在接收機的設(shè)計中,常采用高阻抗前端。熱噪聲均方差與接收機的電帶寬成正比

9、,為降低熱噪聲,要限制接收機的帶寬。1.2.2級聯(lián)系統(tǒng)噪聲無線局域網(wǎng)接收機一般由天線、放大器、濾波器和混合器等部件組成?？傁到y(tǒng)的噪聲是這些部件的所有噪聲以某種方式共同作用的結(jié)果。假設(shè)每個部件的噪聲系數(shù)為F ,增益為G ,內(nèi)在噪聲源的譜密度為(F -1kT 0。如果S (f 是部件的輸入,則電路的輸出為Y (f =GS (f +G (F -1kT 0, (5其輸出既有信號分量又有噪聲分量。若有2個這樣的部件系統(tǒng),其噪聲系數(shù)分別為F 1和F 2,增益分別為G 1和G 2,輸入的假設(shè)噪聲為N 0。這時第一級(第一個部件輸出和第二級(第二個部件輸入是F 1G 1N 0,第二級輸出為G 2(F 2-1N

10、 0+F 1G 1N 0,則總噪聲系數(shù)為,(6以此類推,可得多級系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為。(71.3藍牙無線干擾如果2種無線模塊在同一系統(tǒng)或同一地點時,如:藍牙無線和無線局域網(wǎng)共存時,干擾信號較強,甚至?xí)霈F(xiàn)丟失連接的情況。藍牙無線(bluetooth 采用跳頻擴頻(frequency-hopping spread spectrum ,發(fā)射功率為1 mW ,數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mb/s ,傳輸距離為10 m 。藍牙無線和2.4 GHz 的無線局域網(wǎng)工作于同一個ISM (industrial scientific medical 頻段,存在兩者相互干擾的問題。無線局域網(wǎng)采用的是直接序列擴頻(d i r e

11、 c t sequence spread spectrum 技術(shù)。IEEE802.11b 標(biāo)準(zhǔn)在2.4 GHz 以上的83.5 MHz 帶寬中規(guī)定了可用信道,每信道帶寬5 MHz ,通常只用3個互不重疊的信道。無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率可達11 Mb/s 以上,一般室內(nèi)可傳輸距離為100 m 4。當(dāng)無線局域網(wǎng)工作在11 Mb/s 的速率以下時,一個數(shù)據(jù)包需要約1 ms 時間在空中傳播,采用單時隙的藍牙連接每個數(shù)據(jù)包占625 s 。所以在一次無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸期間,若有2個藍牙數(shù)據(jù)包傳遞,其中陳國先無線局域網(wǎng)室內(nèi)信號干擾因素分析及處理 662011年湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報任何1個落在無線局域網(wǎng)占據(jù)的20

12、MHz信道范圍之內(nèi),就會導(dǎo)致無線局域網(wǎng)信號傳輸失敗。對藍牙無線與802.11bWLAN的相互干擾進行實際測量5,發(fā)現(xiàn)相互干擾與距離有關(guān)。在同一個系統(tǒng)內(nèi)兩者近距離(小于2 m工作時,相互干擾較嚴(yán)重,分組錯誤率(packet error rate達99%,系統(tǒng)吞吐量幾乎為0。當(dāng)兩者的距離超過3 m時,干擾明顯減少,分組錯誤率及系統(tǒng)吞吐量基本維持正常水平。藍牙無線的典型應(yīng)用是采用藍牙鼠標(biāo)、鍵盤,在這種場合下用無線局域網(wǎng)的個人電腦,二者存在相互干擾問題。為了避免藍牙傳輸干擾,可以根據(jù)現(xiàn)場情況動態(tài)選擇信道,也可以通過改變無線局域網(wǎng)每一分組長度,減少數(shù)據(jù)包傳輸期間受干擾,減少數(shù)據(jù)重傳的概率,提高干擾存在時

13、的吞吐量。1.4同頻干擾周圍環(huán)境對無線局域網(wǎng)也會產(chǎn)生窄帶干擾和全波段干擾。窄帶信號在不同輸出功率、不同頻譜的頻率寬度等情形下,可能會間歇地打斷發(fā)射的信號。要避免窄帶信號干擾,必須要找到原始干擾源,并移除這些干擾源,正確配置無線局域網(wǎng)設(shè)備的信道,有效地處理窄帶干擾。全波段干擾是指在任何情況下,干擾覆蓋整個使用的頻率范圍,如:老式微波爐等設(shè)備的使用。處理這種干擾較好的方法是,改變發(fā)射頻率,如:將局域網(wǎng)發(fā)射頻率從2.4 GHz改為5.8 GHz,或采用擴頻技術(shù),或移除產(chǎn)生全波段干擾的設(shè)備,這樣處理后能提供無線局域網(wǎng)較好的吞吐率和延遲特性。此外,當(dāng)無線局域網(wǎng)設(shè)備發(fā)射信號時,還可能受到室內(nèi)正在使用的同類

14、設(shè)備鄰近信道或相同信道的干擾,以及相鄰小區(qū)間相鄰頻道的干擾。實踐表明,使用非干擾頻段時2個AP信號的吞吐量是使用有干擾頻段吞吐量的2倍。2抗干擾措施系統(tǒng)增益G,信號所占用的頻帶寬度W和信息本身實際所需的最小帶寬Bmin的關(guān)系是:G=W/Bmin。(8信息容量的香農(nóng)(Shannon 公式為,(9式中:C為信道容量;P S PN為信噪比。式(9表明,在給定信道容量C即傳輸速率不變的條件下,頻帶寬度W和信噪比PS PN可以互換,即可通過增加頻帶寬度的方法,在較低的信噪比情況下傳輸信息,這表明寬帶系統(tǒng)有較好的抗干擾性。用信息帶寬的100倍,甚至1 000倍以上的寬帶信號來傳輸信息,能提高抗干擾能力。接

15、收機采用頻碼序列進行相關(guān)檢測,空中即使有同類信號進行干擾,如果不能檢測出有用信號的碼序列,干擾也不明顯。3結(jié)語在無線局域網(wǎng)建設(shè)時,為使局域網(wǎng)的信號優(yōu)化,除了要考慮以上幾個方面的干擾因素外,還要針對覆蓋設(shè)計、頻率規(guī)劃、容量規(guī)劃、系統(tǒng)優(yōu)化等問題進行深入的調(diào)研和勘查,在此基礎(chǔ)上進行正確的選擇和施工。如:覆蓋設(shè)計是采用室內(nèi)覆蓋還是室外覆蓋方式,是單獨建設(shè)還是與移動通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)籌建設(shè)等;確定AP點位置和數(shù)量,并進行合理的頻率規(guī)劃,規(guī)避頻率干擾,力求干擾降到最小;容量、頻率和鏈路是相互關(guān)聯(lián)又相互制約,提高容量增長鏈路將增大干擾,只有合理規(guī)劃三者之間的關(guān)系,無線傳輸信號才能收到較好的效果。參考文獻:1Zhao

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17、s NetworkM. Beijing:BeijingUniversity of Posts and Telecommunications Press,2005: 134.3錢進. 無線局域網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用M. 北京:電子工業(yè)出版社,2004:35.Qian Jin. The Technology and Application of Wireless LANM. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2004:35.4孫小靜,高強. 如何減少藍牙設(shè)備與無線局域網(wǎng)設(shè)備共存時的互相干擾J. 中國鐵道科學(xué),2005,26(2: 122-126.Sun Xiaojing,Gao Qiang. Solutions to the InterferenceCaused by the Coexistence of Blue